MPLS详解

一、SMPLS：多协议标签交换

多协议：可以基于多种不同的3层协议来生成2.5层的标签信息；

包交换---包为网络层的PDU，故包交换是基于IP地址进行数据转发；就是路由器的路由行为；

两张表---路由表、ARP表:

路由表---找到出接口

ARP表---找到下一跳、目标MAC地址

二、包交换：

原始的包交换

数据包进入路由器后，路由器需要查询本地的路由表（RIB-路由信息数据库），再基于下一跳或者目标ip查询本地的ARP表，才能进行数据的转发；（既查路由表，又查ARP表）

快速的包交换

一次路由多次交换；每个数据流中的第一个包将被基于原始包交换规则转发；过程中生成转发规则缓存列表，记录整个通讯过程，该数据流量剩余数据包仅查询缓存记录即可；（一次路由，多次交换）

特快的包交换

无需路由，直接交换； CEF-cisco特快交换，为cisco私有技术；非cisco厂商设备均存在和cef转发机制相同的技术；

将路由表和ARP转换为 FIB（转发信息数据库）表 流量转发过程中仅查询FIB表即可；

FIB的特点：在将路由器表转换过程中，存储递归查询后的结果；同时将新封装的二层地址进行绑定；

IP fast0/0 172.16.20.115(7) 目标地址

源 (递归后的出接口) 0 packets, 0 bytes

epoch 0

sourced in sev-epoch 357

Encap length 14

701CE7662A9768EFBD1D24C50800 新的二层封装

目标MAC 源MAC 类型号

三、标签交换

数据包在进入到的MPLS的域内后，将在第2层和3层中间压入标签号；使得域内的路由器在转发该数据包时，基于2.5层的标签号仅需要查询本地的一张LFIB表（标签转发信息数据库），即可进行数据转发 --第一跳路由器负责压入标签 最后一跳弹出标签（若中间路由器数量多，则能体现出标签交换的优势，因为中间路由器只需查一张表----LFIB表）

最初在包交换仅支持原始交换时，标签的意义在于更快的查询；但随着包交换的加速，使用标签交换失去了快速查表的优势；

当下MPLS存在的意义：

1、解决BGP的路由黑洞 2、MPLS VPN 3、MPLS TE 流量工程

另外：随着包交换的加速，使得今天的MPLS技术也开始基于FIB表工作；来提高MPLS的工作效率；

四、工作过程

控制层面：路由协议工作，生成RIB----（由于CEF）FIB，流量的方向即为控制流量；

数据层面：设备基于路由表访问目标，产生数据流量；与控制层面方向相反；

LDP工作原理

控制层面：

1）在没有MPLS时控制层面仅生成RIB（路由表）和FIB（转发信息数据库）；FIB是基于RIB生成；

2）MPLS协议会启动TDP（cisco私有）或LDP（公有），直连设备间将建立邻居关系；

LDP-- 基于UDP和TCP的646端口工作；先使用udp发送组播hello包发现邻居，获取邻居ip地址，再和该直连邻居建立TCP的会话；邻居关系建立后；为了邻居关系间的稳定，一般使用设备的环回地址来建立tcp会话；建议设置环回地址为mpls协议的route-id，该id值将携带在组播收发的hello报文中，之后自动进行tcp会话建立；

总结：MPLS协议需要在直连邻居间使用router-id地址来进行TCP的会话；故前提条件为，route-id必须为设备真实使用的ip地址，建议为环回地址---稳定； 组播hello包在直连的物理接口上收发，来获取对端的router-id，自然也要求router-id值间路由可达；

因此正常在建立LDP的邻居关系 前 ，路由协议已经收敛完成，RIB和FIB表已经生成；

3）MPLS在建立邻居关系后，生成邻居表；LDP协议再基于FIB表中学习到的路由条目生成标签号；

cisco 设备默认基于FIB表中所有学习到的路由条目生成标签号，华为设备默认仅基于FIB表中32位掩码的主机路由生成标签号；原因在于正常32位主机路由为ospf学习的环回接口，正常工程中只有BGP和MPLS VPN才会基于环回通讯，使用标签转发；其他普通流量还是基于特快包交换来进行；反观cisco在启动mpls以后，所有流量将基于标签转发，降低了转发效率（前提为默认）

4）标签号生成后，将存储于本地的LIB表-标签信息数据库；LIB表将在邻居间共享；

LIB表中装载本地及邻居为每条路由分发的标签号；

5）运行MPLS协议的设备，将LIB和FIB进行结合，将标签号和最佳路径的关系映射生成LFIB表（标签转发信息数据库）

注：控制层面生成的表格：

RIB---》FIB---》LIB---》LFIB 前两张表为路由协议工作后生成，后两张表为MPLS的LDP协议生成；

总结：当没有运行MPLS，路由协议（直连，静态，动态）完成路由收敛后会产生RIB表，由于现在路由器都支持CEF（特快交换），那么RIB表生成后会被路由器转换为FIB表（可以理解为一个更好更快的路由表或者一个囊括了ARP表功能的路由表）当MPLS运行时LDP会为FIB里面的每一个目标网段分配一个本地唯一标签号，将标签信息存入LIB表（标签信息库），与上下游邻居共享LIB表；路由器的LDP协议会将LIB和FIB结合起来生成一个转发规则---LFIB表

数据层面：

1. 没有MPLS协议，基于FIB表正常转发即可
2. 名词：MPLS domain -- MPLS的工作半径

edge LSR（PE）--边界标签交换路由器 工作mpls域的边缘，连接域外设备

LSR （P） -- 标签交换路由器 整体工作MPLS域内

1. 当流量进入到第一台pe(边界)设备时， 在没有特快交换之前，路由器基于目标IP地址查询本地的RIB；之后还要在LIB表中对应才能确定流量是否应该压入标签，需要两张表的查询；

在存在特快交换时，流量进入第一pe时，直接查询FIB表（可以存储标签号），表中关联标签号，将直接确定是否压入标签；

流量再到P路由器，接收到流量中若存在标签基于LFIB表转发，若没有标签基于FIB表即可；

流量从最后一台边界离开MPLS 域时将弹出标签；

存在标签号的流量，进入路由器时，入标签表应该为本地路由器分配的编号，出标签为本地的下游（下一跳）设备分配的标签号； 上下游的概念基于数据层面进行标定；

总结：数据包进入第一跳路由器时，压入下一跳设备分配的标签号，然后将流量转发给下一跳路由器，之后域中路由器基于数据包中的2.5层标签号，查询本地的LFIB进行数据包的转发，以及标签号的替换；当数据到达最后一条路由器，将弹出标签号；

五、标签号

标签被压入在2层与3层之间，称为2.5层

标签的格式---32位，4个字节

前20位为标签号，2^20个标签号；其中1-15号保留，作为特殊编号；

第21-23位exp，3位8个数，为优先级，用于QOS策略使用；

第24位为栈底位，该位为1标识该标签为最后一层标签；MPLS最大可以在一个数据包中封装3次标签；

普通的MPLS 一层标签 MPLS VPN 两层 MPLS TE 3层

TTL 生存时间 在第一次压入标签时，将当前数据包中的3层TTL复制到标签中；之后查询一次标签TTL减一，在最后一跳设备弹出标签时将2.5层的TTL复制到3层报头中；

六、MPLS的次末跳 -- 倒数第二跳 默认执行

优化前

优化后

边界LSR将本地的直连网段传递给MPLS域内邻居后，LDP分配标签号为3，告知倒数第二跳设备它的身份；导致倒数第二跳设备在查询LFIB表后，已知转发路径的前提下提前弹出标签，使得最后一跳路由器均只需要查询FIB表； 否则最后一跳路由器在查询LFIB表后，弹出标签还需要查询FIB；

七、MPLS的配置

1. IP可达--- 使用路由协议全网可达
2. 配置MPLS -- LDP

r2\]mpls lsr-id 2.2.2.2 必须先定义mpls的router-id，要为本地设备的真实ip地址，且邻居可达，因为该地址将用于建立TCP会话，建议使用环回地址 [r2]mpls 再开启mpls协议 [r2-mpls]mpls ldp 再激活LDP协议 [r2-mpls-ldp]q 之后需要在所有标签经过的接口上开启协议 [r2]interface GigabitEthernet 0/0/1 [r2-GigabitEthernet0/0/1]mpls 先开启MPLS [r2-GigabitEthernet0/0/1]mpls ldp 再激活LDP协议 当启动配置完成后，邻居间使用UDP报文组播收发hello包；之后基于hello包中的router-id地址进行TCP会话的建立； [r3]display tcp status TCPCB Tid/Soid Local Add:port Foreign Add:port VPNID State b4cf3d64 167/6 3.3.3.3:646 4.4.4.4:50858 0 Established b4cf3adc 167/3 3.3.3.3:50806 2.2.2.2:646 0 Established 当tcp会话建立后，邻居间基于TCP会话再建立邻居关系，生成邻居表： \[r3\]display mpls ldp peer 再然后基于本地的FIB表，默认华为仅针对32位的主机路由生成标签号；存储于LIB表中，之后邻居间共享LIB表； \[r3\]display fib 查看FIB表（0X0---表示不打标签）  \[r3\]display fib verbose 查fib的最详信息   \[r4\]display mpls ldp lsp 查看LIB表，装载本地和邻居为各条路由分配的标签号 最后路由器将LIB和FIB集合，生成最佳路径的标签转发规则---LFIB \[r4\]display mpls lsp 查看LFIB表 **注：默认华为仅针对32位主机路由分配标签** [r3]mpls [r3-mpls]lsp-trigger all 开启功能，将针对fib表中所有路由进行标签号的分配 \[r2\]tracert -v -a 2.2.2.2 56.1.1.2  ### 八、使用mpls解决BGP的路由黑洞 MPLS协议并不会为通过BGP协议学习的路由条目分配标签号； 而是在访问这些BGP路由目标网段时，在流量中压入到达这些网段的BGP下一跳设备地址的标签号； 例:R2从BGP邻居5.5.5.5 学习到6.6.6.0 网段的路由；R2在访问6.6.6.0 时，将在数据包中压入到达5.5.5.5ip地址的标签号，来穿越中间没有运行BGP协议的设备；实现打破路由黑洞；  R1到R6，首先流量到达R2上，R2查FIB表  查看详细FIB详细信息，查看标签号  由于R3收到的包带有标签号，此时查LFIB表  同理R4查LFIB 到R5时，没有标签，此时查R5的FIB表  最终流量从GE0/0/1出，并且没有标签号，到达目标网段，解决BGP黑洞 **注:华为设备默认不为BGP协议执行下一跳标签机制，cisco默认执行；** **华为设备需要开启 route recursive-lookup tunnel 路由基于隧道进行递归查找** VPN---虚拟专用 模拟点到点专线 缺点：1、安全问题 2、带宽问题 宽带---访问互联网（企业/家用） 专线---点到点互通 ### 九、MPLS VPN 模拟真正的专线，不能直接上网需要拉宽带 为什么最接近专线----1、在整个公网传输中，路由完全隔离（路由安全） 2、流量会打MPLS的标签，标签中有个EXP（策略位）位，运营商会为 MPLS 的流量单独做一个策略，一旦遇到MPLS流量全部优先转发，保证 运营商承诺的带宽 1. CE将私有路由传递到PE端 2. PE端在收到不同CE发送过来的相同网段路由时，使用RD值进行区分---格式X:X 32位 3. PE端将附上RD的私有路由不能直接装载于本地公有路由表中，需要放置到对应的VRF（虚拟路由转发）空间内；之后再路由付RT值，用于传递到对端PE设备，对端区分信息； **VPNV4路由=普通IPV4路由+RD+RT** 1. VPNV4路由需要MP-BGP来进行传递；对端基于RT值，将路由装载到对应的VRF空间内，再共享给对应的CE； 2. 控制层面工作完成后，数据层面需要基于MPLS来工作，由于数据层面不能携带RD/RT值； 故mpls将在数据包中压入两层标签，外层标签用于穿越中间设备，打破BGP路由黑洞； 内层标签用于对应VRF空间； 控制层面： R1和R6两个CE端将流量通过静态或动态协议将发送到R2这个PE端时，R2会通过RD值进行区分，并放入对应的VRF（虚拟路由转发）空间内，由于R2和R4建立BGP邻居（不能用公网中所运行的协议进行传输，1.因为R2，R3，R4的协议是公有协议；2.普通的路由协议不能用来传，因为此时是VPNV4路由而不是IPV4路由，需要用MPBGP来传 ），R2会将流量转发给R4，R4通过RT值进行区分，并放入对应的VRF空间内，转发给目标网段。 数据层面： R5和R7将流量发给R4，R4会查VRF路由表，由此知道下一跳是R2，数据层面需要基于MPLS来工作，由于数据层面不能携带RD/RT值；故mpls将在数据包中压入两层标签，外层标签用于穿越中间设备，打破BGP路由黑洞；内层标签用于对应VRF空间； ###### 配置方法： ###### 1.ISP部分 1. IGP路由 2. MPLS域 3. 配置MPLS VPN [r2]ip vpn-instance a 创建名为a的vrf空间 [r2-vpn-instance-a]ipv4-family 进入IPV4的配置模式下 [r2-vpn-instance-a-af-ipv4]route-distinguisher 1:1 RD值 [r2-vpn-instance-a-af-ipv4]vpn-target 1:1 RT值 必须对端的PE端一致 [r2]interface GigabitEthernet 0/0/0 进入链接CE端的接口 [r2-GigabitEthernet0/0/0]ip binding vpn-instance a 关联到vrf空间，不在普通路由表中 [r2-GigabitEthernet0/0/0]ip address 192.168.2.2 24 配置私有ip地址 **注：在关联到vrf空间前不能配置接口ip，否则该地址的直连路由将进入公有路由表；** \[r2\]display ip routing-table vpn-instance a 查看空间内的私有路由表  \[r2\]ping -vpn-instance a 192.168.2.1 正常测试将在公有路由表中查询记录；该命令为基于VRF空间 a进行路由查询 ###### 2.PE与PE间建立MP-BPG邻居关系 [r2]bgp 2 [r2-bgp]router-id 2.2.2.2 先和对端建立正常BGP邻居关系，可用于传递正常的公网路由 [r2-bgp]pe 4.4.4.4 as-number 2 [r2-bgp]pe 4.4.4.4 connect-interface LoopBack 0 [r2-bgp]pe 4.4.4.4 next-hop-local 同时还需要再在IPV4的家族模式中，与对端建立一个VPNV4的关系，用于传递VPNV4路由 [r2-bgp]ipv4-family vpnv4 [r2-bgp-af-vpnv4]peer 4.4.4.4 enable \[r2-bgp\]display bgp vpnv4 all peer 查看mp-bgp邻居关系 ###### 3.CE端与PE端交互路由 静态： CE端直接编写静态路由即可； PE端编写到VRF空间内的静态路由 \[r2\]ip route-static vpn-instance a 192.168.1.0 24 192.168.2.1 将本地vrf空间内的静态和直连路由重发布到BGP协议传递到对端的PE [r2]bgp 2 [r2-bgp]ipv4 vpn-instance a [r2-bgp-a]import-route direct [r2-bgp-a]import-route static display bgp vpnv4 vpn-instance a routing-table 查看mp-bpg的BGP表 OSPF： CE端正常启动OSPF即可 PE端，启动VPNV4专用的ospf协议 [r4]ospf 2 vpn-instance a [r4-ospf-2]area 0 [r4-ospf-2-area-0.0.0.0]network 192.168.3.1 0.0.0.0 之后使用双向重发布，实现路由共享 [r4]bgp 2 [r4-bgp]ipv4-family vpn-instance a [r4-bgp-a]import-route ospf 2 [r4]ospf 2 vpn-instance a [r4-ospf-2]import-route bgp \[r4\]display mpls lsp vpn-instance a 查看双层标记的内层标签号